早期核燃料后處理廠箱體設備退役研究

沈楨琪，張 卓，楊美健，鮑 芳

(中國核電工程有限公司，北京 100084)

早期核燃料后處理廠中箱體設備主要包括手套箱、工作箱、取樣柜等，這類設備在運行期間，主要用于放射性樣品、產品的測試、取樣等工藝操作。由于當時認識的局限性以及科學水平的不足，早期核燃料后處理廠停產后未開展必要的去污，導致部分手套箱放射性污染嚴重。同時由于運行期間操作不當，廠房年久失修，箱體設備包容性差，所在房間放射性水平很高，人員直接操作困難。本文將針對某早期核燃料后處理廠箱體設備的結構、布置狀況、放射性污染水平，對手套箱退役方案進行分析，為后續工程項目提供依據。

1 箱體設備結構

廠房內箱體設備種類較多，主要包括手套箱、工作箱、取樣柜等，根據其結構特點，將其分為兩類：一類是接收分裝工作箱、厚壁工作箱、防護燃燒箱、取樣柜等雙層厚壁箱體設備；一類是包括回收手套箱、燃燒箱在內的單層薄壁箱體設備。

1.1 薄壁箱體設備

薄壁箱體設備功能廣泛，包括極譜手套箱、定氮/定碳手套箱、光譜準備手套箱、溶解手套箱、離子源手套箱、質譜準備手套箱等。薄壁箱體設備雖然根據功能不同，輔助結構有所差異，但主體結構差別不大，以化學分離手套箱為例，對薄壁手套箱結構進行分析。

薄壁箱體設備分為上下兩部分，上部為操作箱體，是完成工藝操作的位置，下部為支撐架，對整個箱體起支撐作用。箱體由厚度為3 mm～5 mm的薄鋼板整體制作而成，較薄的輻射屏蔽結構決定了其主要用于放射性較低對象的操作處理。但是由于當時認識的局限性以及科學水平的不足，再加上操作不當，導致部分薄壁箱體處理并遺留了放射性水平較高的對象。箱體內部包含有沖洗噴頭，廢水收集等主要功能設備，以及推拉門、過濾器、壓力計等輔助結構。

薄壁箱體設備支架部分由四根豎直管與四根水平管焊接而成，整體為框架結構，支架支撐空間內安裝有多條管道，為手套箱提供清洗試劑以及廢液的輸送功能，支架底部安裝有腳踏閥門，用以控制管道內液體的流通(見圖1)。

1.2 厚壁箱體設備

厚壁箱體設備相比薄壁箱體設備有較厚的防護結構，可用于進行具有較高放射性樣品或產品的工藝操作。厚壁箱體設備主要包括防護燃燒箱、接受分裝工作箱、厚壁工作箱以及取樣柜等。厚壁箱體設備種類和功能不盡相同，結構也有一定差異，但是在主體結構方面大同小異。以結構較為復雜的接受分裝手套箱為例分析其結構。

在整體結構方面厚壁箱體設備與薄壁箱體設備沒有根本性的區別，分為上箱體和下支架兩部分，外圍各方向設置6塊厚碳鋼板，用以對內部放射性的屏蔽。箱體內部結構與薄壁手套箱基本相似，在原結構的基礎上增加了燈具和噴頭的數量，部分設備還設置帶有蓋板的孔洞和相應吊具，用以從下部運輸物體進入和吊出。下部支架結構更換成由角鋼和較薄碳鋼組成的箱體結構，以實現對下部廢液管道內較強放射性的屏蔽。其余結構包括水池體、試劑管、廢液管、控制閥等結構與薄壁手套箱類似(見圖2)。

2 箱體設備去污分析

箱體設備在運行期間作為主要工藝設備，進行燃燒、化學分離、定碳、定氮、取樣等工藝操作，主要污染集中在箱體部分，來源為操作過程中放射性物質對箱體內壁的沾污，以及廠房廢棄后部分放射性實驗物質的殘留，因此對箱體設備的去污，主要為對箱體內壁及輔助結構所殘留放射性物質的清除。厚壁箱體設備和部分薄壁箱體設備污染水平較高，外照劑量達到mSv/h級別甚至更高。

2.1 常見去污方法

現階段箱體設備常見去污方法有干冰去污、擦拭去污、凝膠去污、激光去污等。

1)擦拭去污。機械擦拭法技術成熟度較好，操作簡單，無需復雜的去污設備就能完成去污操作，而且產生的二次廢物較少。去污時，WAK后處理廠采用化學擦拭法進行去污，去污劑為2%Na2CO3等，若擦拭后水平不滿足降級要求，則應對污染面進行打磨，并再次擦拭去污[1]。國內研究院采用5%HNO3，10%HNO3，10%HCl，5%H2O2，10%H2O2，5%IMC-3去污液、10%IMC-3去污液、5%草酸、5%去污粉溶液等不同去污溶液對氚污染的手套箱內壁進行擦拭，去污均有一定效果，污染水平由22～8.5E3 Bq/cm2均可降至20 Bq/cm2以下[2-3]。

2)干冰去污。干冰去污法是干冰在高壓沖擊下將附著在設備表面的污染物清除掉，干冰顆粒在千分之幾秒內體積膨脹接近800倍，相對于沖擊點形成了微型爆炸，加速了污染物的去除。該方法優點在于隨著CO2揮發，沒有二次廢物產生，缺點是工藝要求高。核動力院開展了干冰去污的相關研究，研究結果表明，對于幾貝克海平方厘米污染水平的設備，設備松散污染去污因子為10，半固定型污染去污因子大于3，幾百貝克海平方厘米污染水平的設備，α污染去污因子達25，γ,β污染去污因子大于10。

3)激光去污。激光去污是在極短時間內將光能變成熱能的“干式清洗”，把光束集中在小范圍內產生幾千度甚至上萬度高溫，使污垢瞬間汽化蒸發或爆裂脫落。激光去污可把金屬表面涂層和氧化膜消融，產生揮發物由真空系統和過濾器補集，去污速度快，效率高，二次廢物產生少。

4)凝膠去污。凝膠去污使用的是凝膠載帶化學去污劑，將其噴或刷涂在待去污物體的表面，作用一定時間后，通過擦洗、水漂或噴淋除去凝膠物實現放射性污染的去除。凝膠去污在法國和美國的應用實踐表明，其具有去污效果好、應用范圍廣和二次廢物產生量少等優點。中國輻射防護研究院從法國引進了凝膠去污技術，并開展了消化吸收及再創新研究，主要研究的是氧化凝膠，其主要用于放射性污染不銹鋼材質的深度去污。氧化凝膠對不銹鋼類金屬的去污，控制用量大于0.6 kg/m2、作用時間為3 h～4 h時，即可實現腐蝕去除不銹鋼類污染金屬的表層超過1 μm的目標。酸性凝膠對碳鋼類金屬的去污，腐蝕深度可大于3.5 μm。堿性凝膠對鋁材的去污，腐蝕深度最大可達35 μm[4-5]。

2.2 去污方案分析

根據源項調查結果箱體設備大部分污染嚴重，需要考慮半遠距離/遠距離操作，其中少數箱體設備存在較重的α污染，達到中放廢物水平。

1)α核素去污分析。由于α射線內照射的特性，在對α核素污染進行去除的過程中，應選擇對空氣擾動較小，氣溶膠產生較少的去污方式，以避免α粒子的擴散而造成對人員的損害。對于附著污染和弱固定性污染，需要先選用吸塵去污、擦拭去污等物理去污方法，用以去除表面的松散廢物或弱結合污染物，對于強固定性深層污染可采用激光去污、化學凝膠等剝離方式，但需要重點考慮對去污過程中產生粉塵、氣溶膠和凝膠涂膜的收集。

2)β/γ核素去污分析。對于β和γ核素污染的去除，主要研究方向集中在去污效果和去污方式上。部分箱體內高強度的照射劑量使得遠距離遙控去污的方式成為了考慮重點；同時，早期核燃料處理廠服役及停工后時間較長，核素在金屬中滲入較深，一般情況下，在1 μm～10 μm金屬表層中存在不小于98%的放射性核素，因此需進行具有深層去污效果的去污方式。有較多方式可通過遠距離遙控操作的手段應用于β/γ核素的去污，例如激光去污、擦拭去污、凝膠去污。

綜合上述分析，對于β/γ污染較輕，但存在α污染的箱體設備，人員穿著氣衣，進行人工操作。手套箱長期放置，存在松散污染，應先進行吸塵去污，然后手持工具進行擦拭或凝膠去污。對于β/γ污染較嚴重的箱體設備，需機器人攜帶去污機構，進行吸塵去污，后更換去污機構，進行擦拭/凝膠/激光去污。機器人攜帶去污機構的去污方案具體如下：

箱體設備熱點去除主要分為兩部分，一方面是對箱體內殘留固體廢物的移除，另一方面是對箱體內壁熱點的去污。對于殘留固體廢物，使用作業機器人攜帶執行機構進入房間，執行機構從箱門或破損的手套孔、窺視窗伸入箱體將廢物抓出裝桶，若廢物為松散廢物則使用真空吸塵裝置對廢物進行收集，收集完成后裝桶。對于箱體內壁其他熱點的去除，根據以往退役經驗，常用的方式包括擦拭去污、物理研磨去污、激光去污、凝膠去污等，需機器人攜帶相應工具頭和配套系統進行去污操作。需要注意的是，高放射性污染的箱體設備考慮將其轉運至集中去污拆除區域進行去污、拆除操作，以控制現場污染的擴散，同時避免了操作空間的受限。手套箱去污方法分析表見表1。

表1 手套箱去污方法分析表

3 箱體設備拆除分析

對于薄壁箱體設備的拆除，其壁厚較薄，常見的熱切和冷切切割機具可完成切割；對于厚壁箱體設備的拆除，由于其存在厚屏蔽防護板，且防護板可拆卸，需考慮將防護板拆除后進行內殼的拆除。

3.1 常見拆除方法

目前退役領域常用的拆除方法較多，總體可分為冷切割和熱切割兩大類。

1)冷切割。冷切割包括機械切割、高壓水射流切割、磨料射流切割等。機械切割為最常用的切割技術，技術和設備成熟，例如液壓剪、圓盤鋸、金剛石線鋸等。冷切割作業時產生的煙塵和氣溶膠較少，污染控制較為容易，同時設備工具易得，操作簡單，成本低，但是切割速度慢，人工作業勞動強度大的缺點也不可避免，切割過程中還會產生較多的固體微粒廢物，也對切割操作具有一定影響。

2)熱切割。熱切割技術包括火焰切割、電弧切割、等離子體弧切割、激光切割等。熱切割的切割速度快，對于較厚的物體相對冷切割適用性更強，便于遠距離操作，缺點為切割溫度高，切割過程會產生較多的氣溶膠和煙塵，需要配置額外通風、過濾和防護用具。

對冷熱切割技術的特性進行匯總，結果如表2所示。

表2 切割技術特性表

3.2 拆除方案分析

由于部分箱體設備污染水平較高，去污后可能仍存在部分箱體設備需采用遠距離拆除手段，因此切割機構考慮就地和遠距離切割兼顧，首先應選用可遠距離操作的設備，熱噴槍不適宜；其次需滿足不銹鋼和鉛的切割需求，火焰切割不適宜；射流切割因產生大量泥漿，二次廢物量大，不適宜選用；應考慮盡可能的可靠、經濟，綜合考慮切割效率。根據箱體設備的結構和放射性水平，對箱體設備的拆除方案分為以下幾類：

1)薄壁低劑量水平的箱體設備采用就地拆除的方案，由人工攜帶工具進行切割。由于手套箱箱體為不銹鋼且較薄(3 mm～5 mm)，支架結構為直徑較小管道組成，使用技術設備成熟，操作簡單，價格經濟的液壓剪、圓盤鋸等可滿足切割要求，如果考慮到拆除效率，可選用除火焰切割外的熱切割技術。

2)薄壁高劑量水平的箱體設備采用集中區域拆除的方式。需先對箱體設備進行連接斷開，運送至特定區域進行后續去污拆除，而在對箱體設備進行斷開連接時箱內熱點依然存在，劑量水平較高，需要操作攜帶切割機構的機器人，配合自動轉運裝置，人工輔助進行作業。完成手套箱轉移后，利用遠距離操作工裝對箱體設備進行去污操作，去污后能夠滿足人工拆除的需求，可同低劑量水平的箱體設備進行人工拆除，若劑量水平仍然較高，則需要選擇可遠距離操作的設備，傳統的鋸、剪等冷切割均可滿足要求，若需要提高切割效率，則可選用等離子體弧切割、電火花切割技術。

3)厚壁箱體設備普遍污染水平高，但其重量較大，無法直接運送到集中區域進行去污拆除操作，需就地簡單去污后，人工輔助吊裝設備拆下外防護板，后運送至集中區域進一步去污拆除。運送及拆除與薄壁高劑量箱體設備集中作業類似。

綜上，對于箱體設備拆除而言，根據其劑量水平采用就地拆除或送集中區域拆除的方式，由于待切割拆除的部分為較薄不銹鋼板和較小直徑的管道，就地人工拆除可選用鋸、剪等傳統冷切割，若需提高拆除效率則可考慮選用除火焰切割外的熱切割技術。集中區域進行去污拆除則需要考慮遠距離解除連接后，運送至集中區域，根據去污后的劑量水平，進行人工拆除或遠距離拆除，遠距離拆除可選用傳統的鋸、剪等冷切割或等離子體弧切割、電火花熱切割，并分別考慮后作用力和現場氣溶膠控制的問題。

4 結語

根據早期核燃料后處理廠箱體設備的結構特點、污染水平，對箱體設備去污拆除的難點進行分析，選擇適宜的去污及拆除方法，并制定箱體設備去污、拆除的退役方案，具體如下：

1)早期核燃料后處理廠箱體設備主要分為薄壁箱體設備和厚壁箱體設備，厚壁箱體設備外部有厚屏蔽板，其內部結構與薄壁箱體設備類似。2)箱體設備的污染主要存在于箱體內部，可選用的去污方法有干冰去污、擦拭去污、凝膠去污、激光去污等。針對其不同污染特點，提出了適宜的去污方法以及相應的去污方案。3)箱體設備的拆除可選用的拆除方法有鋸、剪等冷切割和等離子體弧切割、電火花切割技術等熱切割。針對不同污染水平和結構特點，提出了適宜的拆除方法，以及就地拆除或集中拆除的方案。